鉅大LARGE | 點擊量：1219次 | 2022年04月01日
鋰電池極片機械性能探測方法匯總
鋰離子電池極片是一種由電極涂層和集流體箔材組成的三層結構復合材料，即顆粒組成的涂層，平均的涂敷在金屬集流體兩側，緊要由四部分組成：
(1)活性物質顆粒；
(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)；
(3)孔隙，填滿電解液；
(4)金屬箔材集流體。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
極片的機械穩定性對電池有緊要影響，特別像硅基負極，在充電/放電周期內插入和脫出鋰時，體積變化達到270%，循環壽命差。這個體積膨脹會導致硅顆粒的粉碎，以及涂層從銅集流體中分離。
用來確定活性物質涂層預期使用壽命和性能的緊要辦法是檢查涂層結合強度，涂層失效情況的分解。涂層失效包括涂層從基材的剝離，這種剝離可能是因為機械或熱應力、電化學應力等原由引起。涂層材料的剝離可以表現為多種不同的方式：開裂、脫層、散裂、碎裂或塑性變形等。檢查涂層附著力和涂層失效分解要采用可靠實用的辦法來定量說明涂層-基材之間的附著強度和表征失效機理，是用于防止或制止附著失效的緊要信息。理解這些知識有助于提高整體涂層的質量和性能。
實際附著力是將涂層從基材分離所要施加的載荷。實際附著力可能會受到許多因素，如涂層厚度、基材的粗糙度、涂層的機械性能和基材的表面化學結果的影響。實際附著力的測定結果也可能受實驗辦法的影響。最常用的辦法包括剝離實驗、彎曲實驗、劃痕實驗和壓痕實驗。
本文簡單匯總解析鋰離子電池極片機械性能探測辦法，由于個人水平有限，文中錯誤之處歡迎批評指正，也歡迎大家留言補充。
1、納米壓痕
納米壓痕技術也稱深度敏感壓痕技術（Depth-SensingIndentation，DSI)，是最簡單的探測材料力學性質的辦法之一，可以在納米尺度上測量材料的各種力學性質，如載荷-位移曲線、彈性模量、硬度、斷裂韌性、應變硬化效應、粘彈性或蠕變行為等。以下視頻為納米壓痕基本原理解析。
圖1（a）納米壓痕探測示意圖；（b，c）負極極片壓痕掃描照片
圖1是納米壓痕探測原理示意圖以及鋰離子電池負極極片壓痕的掃描照片，探測時，對壓頭施加載荷P，壓頭壓入樣品中，卸載后在樣品表面留下壓痕。圖2是納米壓痕實驗中典型的載荷-位移曲線。在加載過程中試樣表面首先發生的是彈性變形，隨著載荷進一步提高，塑性變形開始出現并逐步增大；卸載過程緊要是彈性變形恢復的過程，而塑性變形最終使得樣品表面形成了壓痕。圖中hc是接觸深度，ht是最大載荷時的位移，ε是與壓頭有關的儀器參數。由圖2可知，載荷從0逐漸新增到最大載荷30mN，隨后載荷基本成直線下降，此時該直線的斜率即為該試樣的接觸剛度S。通過測量壓入載荷P、壓痕表面積A以及接觸剛度S就可以計算得到硬度H和彈性模量E。
圖2納米壓痕探測中典型的載荷-位移曲線
圖3是鋰離子電池（a）正極和（b）負極多次納米壓痕探測載荷-位移曲線，以及（a）正極和（b）負極不同壓入深度探測對應的彈性模量。研究聲明，涂層內部的微觀結構和內應力是造成涂層厚度不同時涂層彈性模量變化的緊要原由，制備涂層時，涂層越厚、致密度越高、內應力越大，導致探測的涂層的彈性模量就越大。當壓入深度很小時，特別是試樣表面粗糙時，就會出現分明的表面效應。這緊要是由表面粗糙度所引起的，緊要表現為剛開始探測時數據不真切和分散。為盡可能地減少表面粗糙度所帶來的影響，提議壓入深度不小于某一直，以保證表面粗糙度引起的壓入深度的不確定度比較小。
圖3鋰離子電池（a）正極和（b）負極多次納米壓痕探測載荷-位移曲線，以及（a）正極和（b）負極不同壓入深度探測對應的彈性模量
2、拉伸探測
拉伸實驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的實驗辦法。利用拉伸實驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。
圖4是使用于鋰離子電池極片的拉伸探測樣品規格及簡易拉伸探測夾具。
圖4鋰離子電池極片拉伸探測樣品規格及簡易拉伸探測夾具
圖5是鋰離子電池的負極、正極和鋁箔拉伸探測的應力-應變曲線，與金屬材料的典型應力-應變曲線類似，一般分為以下幾個階段：
1）彈性階段：應力應變基本上呈線性關系。卸載后還可以恢復到原來的長度。曲線在形變達到0.2%的點稱屈服點，對應的強度為屈服強度，此時可以計算出彈性模量E，即曲線的斜率。
2）屈服階段：應力基本保持不變，而應變有顯著新增。
3）強化階段：這個階段是塑性硬化階段，電池極片沒有觀察到這個階段。在f點對應的應力峰值為抗拉強度。
4）局部變形階段：此時樣品會發生縮頸現象，直至斷裂。
圖5鋰離子電池的（a，b）負極、（c）正極和（d）鋁箔拉伸探測應力-應變曲線
極片拉伸斷裂過程如圖6所示。
圖6極片拉伸斷裂過程示意圖
圖7是鋰離子電池的（a）負極和（c）正極拉伸探測的應力-應變曲線，依據這些探測數據推斷鋰離子電池極片的本構關系，并將這些極片的擬合模型使用于鋰離子電池的模擬計算中，研究電池的機械性能。
圖7鋰離子電池的（a）負極和（c）正極拉伸應力-應變曲線，以及極片本構關系的模型擬合
3、壓縮探測
在金屬材料的力學性能探測中，拉伸實驗中含義的力學性能指標和相應的計算公式，在壓縮實驗中基本上都適用。但是，對試樣施加單軸壓縮載荷時，其應力狀態軟性系數分明大于拉伸狀態，使得有些在拉伸實驗中顯示脆性斷裂的材料（如灰鑄鐵、陶瓷、非晶合金等），在壓縮實驗中有可能會顯示一定的塑性變形，或顯示較高的強度。因此，在研究脆性材料的變形和斷裂行為時往往采用壓縮實驗，同時測量其強度和塑性。
在研究鋰離子電池極片本構關系模型時，為了更全面地認識極片的力學性能，在對極片做拉伸的同時，也經常對極片做壓縮探測，圖8是鋰離子電池的（a）負極和（c）正極壓縮探測的應力-應變曲線，以及極片本構關系的模型擬合。依據極片的拉伸和壓縮試驗探測數據構筑極片的本構模型，再將模型使用于研究電池包裝工藝中的極片斷裂行為，試驗和模擬比較結果如圖9所示。
圖8鋰離子電池的（a）負極和（c）正極壓縮探測應力-應變曲線，以及極片本構關系的模型擬合
圖9電池包裝工藝中極片斷裂行為的試驗和模擬研究
4、彎折探測
彎曲實驗時試樣表面應力最大，可以靈巧地反應材料表面缺陷，常用于研究表面強化工藝及表面性能。圖9給出了常見的三點彎曲實驗的加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖，圖中虛線對應的應力值即為材料的抗彎強度（flexuralstrengthorbendstrength）。
圖10彎曲實驗加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖
5、剝離探測
涂層剝離強度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結合面上剝落下來所要的力。它是測試涂層性能非常緊要的一個指標。若結合強度過小，輕則會引起涂層壽命降低，出現早期失效，重則造成涂層局部起皮、剝落無法使用。
涂層拉伸強度是涂層承受法向拉伸應力的極限能力，這是評定涂層結合強度的最緊要指標。實驗中利用實驗工具或設備使試樣承受垂直于涂層表面的拉伸力，直至試樣被拉開，即涂層剝離，記下破壞時的載荷，以試樣的斷面積除載荷值，即可求出涂層的拉伸強度。
.一般探測辦法，將極片分條，壓敏3M-VHb雙面膠貼在電極表面，另一面貼在不銹鋼板上，將不銹鋼板和集流體固定在拉伸設備的兩個夾具上，然后以一定的速度拉伸樣品，進行180度剝離探測，當鋁集流體被完全剝離下來時測試到的力就是剝離力，探測原理如圖11所示。
圖11涂層剝離強度探測示意圖
采用微機控制電子萬能實驗機可進行拉伸實驗、壓縮實驗、剝離實驗、撕裂實驗以及剪切與彎曲實驗等。
6、劃痕探測
圖12劃痕實驗儀的一般操作示意圖。在進行劃痕實驗期間，由金剛石或其它硬質材料制成的劃針沿涂層表面線性劃線，同時施加恒定或者逐漸新增的載荷。其結果是，劃針劃入涂層，到達涂層界面或穿過涂層到達基材界面。涂層和基材體系會出現內聚和附著失效。檢查筆直從劃痕實驗以及劃痕后顯微分解獲得的數據可得到有關涂層本身和涂層–基材體系的有用信息。
圖13是兩種不同工藝的硅基負極在不同載荷用途下劃痕掃描電鏡照片，通過研究劃痕探測試驗數據，可以比較負極極片的機械穩定性，推斷電池的循環壽命和性能。
圖12劃痕實驗儀的一般操作示意圖
圖13兩種不同工藝的硅基負極在不同載荷用途下劃痕掃描電鏡照片
